Performance evaluatıon of a staged combustıon cycle lıquıd rocket engıne rs-25 usıng a dıgıtal twın approach ın sıemens amesım
Siemens amesim ortaminda sayisal ikiz yaklaşimiyla rs-25 kademeli yanma çevrimli sivi yakitli roket motorunun performans değerlendirmesi
- Tez No: 935886
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Bu tez, RS-25 evreli yanma döngüsüne sahip roket motorunun geçici çalıştırma (startup) evresini simüle etmek ve analiz etmek amacıyla geliştirilen dijital ikiz (digital twin) metodolojisinin derinlemesine incelenmesini sunmaktadır. Artan ve gelişmiş, maliyet-etkin roket itki sistemlerine duyulan ihtiyaç doğrultusunda, bu çalışma, mekanik, termal ve akışkan dinamik süreçler arasındaki karmaşık etkileşimleri yakından modelleyebilen yüksek-fideliteli simülasyon teknikleri ile dijital ikiz yaklaşımını harmanlamaktadır. Araştırmanın temelini, Siemens Simcenter Amesim kullanılarak, turbopomplar, ön yanma odaları (preburners), ana yanma odası (MCC) ve nozul gibi kritik alt sistemlerin gerçek dünya davranışlarını doğru bir biçimde yansıtan kapsamlı bir sistem-düzey modeli oluşturmak oluşturmaktadır. Çalışmanın başlangıcında, RS-25 bağlamında sıvı roket motorlarının geçici (transient) fenomenlerinin modellenmesindeki zorlukları ve evreli yanma döngülerinin karmaşıklığını ortaya koyan kapsamlı bir literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Bu tarama, ani basınç, sıcaklık ve debi değişikliklerinin hassas kontrol ve öngörü gerektirdiğini vurgulamış; böylece dijital ikiz metodolojisinin, simülasyon ile deneysel test arasındaki boşluğu kapatmadaki potansiyelini ortaya koymuştur. Elde edilen bu bulgular, motorun fiziksel davranışını aynen yansıtan ve öngörüsel analiz ile tasarım optimizasyonuna olanak tanıyan yüksek-fideliteli bir dijital ikizin geliştirilmesi için sağlam bir temel oluşturmuştur. En son araştırmalarla güncellenmiş simülasyon metodolojisi, ileri seviye dijital ikiz teknolojisinin uzay itki sistemlerine uygulanmasının önemini ortaya koymaktadır. Modelleme yaklaşımı, motorun alt sistemlerinin ayrıntılı parametrelendirilmesi ile karakterize edilmiştir. Hem yakıt hem de oksidör için yüksek-basınçlı turbopomplar, deneysel verilere dayalı performans haritaları kullanılarak modellenmiştir. Ön yanma odaları, kısmi yanmanın dinamiklerini ve türbin çalışmasını sağlayan sıcak gaz üretimini yakalamak amacıyla simüle edilmiş; ana yanma odası ise çalıştırma sırasında gözlemlenen ani basınç artışı ve sıcaklık stabilizasyonunu yansıtacak şekilde modellenmiştir. Nozul, yanma gazlarının itkiye dönüştürülmesinde kritik rol oynadığı için sistemle entegre edilmiştir. Bu entegre modelin merkezinde yer alan orantılı-integral (PI) kontrolörler, valf sıralaması ve karışım oranı (mixture ratio) ayarlamalarını yöneterek, geçici akışların – yakıt dağıtımının artması ve yanmanın stabil hale gelmesi gibi – doğru biçimde yeniden üretilmesini sağlamaktadır. Alt sistemlerin bu bütünsel entegrasyonu, çalıştırma (startup) dizisinin gerçekçi bir simülasyonunu mümkün kılmış ve hem küresel motor performansı hem de yerel geçici olaylar hakkında derinlemesine içgörüler sunmuştur. Simülasyon sonuçları, motorun yaklaşık beş saniye içinde dinlenme halinden tam çalışır duruma geçişini ortaya koymaktadır. Model, 1.7–1.8 MN aralığında istikrarlı itki, 20 MPa'ya yaklaşan ana yanma odası basıncı ve yaklaşık 375 s'e yakın bir spesifik impuls (Isp) öngörmektedir. Bu temel performans metrikleri, deneysel referans verilerle yakın uyum içerisinde olup, itki, spesifik impuls ve yanma odası basıncı gibi parametrelerdeki sapmaların %1–%5'lik kabul edilebilir hata payları içinde kalması, modelin doğruluğunu ortaya koymaktadır. Dijital ikiz, turbopomp hızlarındaki düzgün artışı ve yanma odası basıncı ile sıcaklığın stabil hale gelmesini başarıyla yansıtarak, yakıt-oksidör karışımının ve yanma kinetiğinin altında yatan varsayımların doğruluğunu teyit etmiştir. Ek olarak, geçici dönemlerde görülen karışım oranındaki kısa salınımlar ve ateşleme anındaki sıcaklık dalgalanmaları, motorun çalıştırma sürecinin karmaşıklığını ortaya koyarak, modelin gerçekçi davranışları başarılı bir biçimde simüle ettiğini göstermektedir. Simülasyon çıktılarının daha ayrıntılı analizi, bireysel alt sistem performansını da gözler önüne sermektedir. Yakıt ve oksidör tüketim eğrileri, ateşlemeden itibaren sıfıra yakın değerlerden hızla kendi istikrarlı değerlerine yükselmekte, bu durum, turbopomp aktivitesinin gerçek dünyadaki hızla artışını yansıtmaktadır. Genel karışım oranı, hedef değerin (6.023) neredeyse tam karşılığı olarak 6.1 civarında simüle edilmiş olup, bu durum, valf kontrol mantığının ve PI kontrolörlerin yakıt dağıtımını etkin bir biçimde yönetebilme kabiliyetini doğrulamaktadır. Ayrıca, modelin öngördüğü kütle akış oranları; sıvı hidrojen (LH2) için yaklaşık 70 kg/s ve sıvı oksijen (LOX) için yaklaşık 450 kg/s değerlerinde olup, referans verilerle olan uyumları %3–%5 hata payı içinde kalmaktadır. Ön yanma odalarının geçici performansı, yakıt ön yanma odasının yaklaşık 35 MPa basınç ve 800–1200 °C sıcaklık aralığına ulaşırken, oksidör ön yanma odasının %30–%40 MPa basınç ile 600–800 °C sıcaklık aralığı göstermesi şeklinde başarılı bir biçimde yakalanmıştır. Bu geçici zirveler, turbopomp türbinlerinin çalışmasını tetikleyerek, ana yanma odasında (3000–3500 °C) stabil yanma koşullarının hızla sağlanmasında kritik rol oynamaktadır. Bununla birlikte, turbomakine performansı da titizlikle incelenmiştir. Yüksek-basınçlı yakıt ve oksidör pompaları, yakıt pompası için yaklaşık 15,000 rpm ve oksidör pompası için 5,000 ila 25,000 rpm arasında değişen değerlerle tasarım hızlarına hızla ulaşmıştır. Turbopomp hızlarının bu hızlı artışı ve istikrarlı hale gelmesi, verimli yanmayı destekleyecek kütle akışının ve basınç seviyelerinin sağlanmasında kritik öneme sahiptir. Simülasyon sonuçları, deneysel verilerle olan uyumun %3–%5 hata payı içinde tutulduğunu göstererek, pompa performans haritalarının ve genel dijital ikiz modelinin doğruluğunu pekiştirmiştir. Tez boyunca, dijital ikiz metodolojilerinin uzay endüstrisinde devrim yaratma potansiyeline vurgu yapılmıştır. Karmaşık geçici fenomenlerin yüksek doğrulukla simüle edilmesi, mühendislerin tasarım optimizasyonu, risk değerlendirmesi ve öngörücü bakım stratejilerini geliştirmede güçlü bir araç elde etmelerini sağlamaktadır. Dijital ikiz yaklaşımı, kapsamlı fiziksel testlere duyulan bağımlılığı azaltarak, maliyet ve zaman tasarrufu sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda motor davranışının farklı işletme koşulları altında daha detaylı anlaşılmasını mümkün kılmaktadır. Bu gelişmiş anlayış, tekrarlamalı tasarım iyileştirmeleri ve daha verimli, güvenilir itki sistemlerinin geliştirilmesinde kritik rol oynamaktadır. Sonuç olarak, bu tezde sunulan çalışma, RS-25 roket motorunun dijital ikiz modelinin geçici çalıştırma evresini ve alt sistem etkileşimlerini yüksek derecede hassasiyetle yakalayabildiğini göstermektedir. 1.7–1.8 MN itki, 20 MPa'ya yakın ana yanma odası basıncı, yaklaşık 375 s'lik spesifik impuls ve kütle akış oranları gibi temel performans metriklerinin başarılı bir şekilde replikasyonu, Siemens Simcenter Amesim'in ileri roket motoru tasarımında etkili bir simülasyon aracı olarak kullanılmasını doğrulamaktadır. Basitleştirilmiş yanma alt modelleri ve yalnızca çalıştırma evresine odaklanmanın getirdiği bazı kısıtlamalar gözlemlense de, bu sınırlamalar gelecekte daha ayrıntılı yanma kinetiği, gerçek zamanlı kapalı döngü kontrol stratejileri ve tam görev senaryolarını kapsayacak şekilde modelin genişletilmesine yönelik umut verici araştırma alanlarını işaret etmektedir. Bu çalışma, dijital ikiz teknolojilerinin alanındaki ilerlemelere önemli katkılar sağlamanın yanı sıra, uzay itki sistemlerinin daha güvenli, verimli ve maliyet-etkin bir şekilde geliştirilmesine yönelik yeni yaklaşımların temelini oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Liquid rocket engines, particularly staged combustion cycle designs like the RS-25, represent the pinnacle of aerospace propulsion technology, combining efficiency with reliability under extreme conditions. This thesis focuses on the digital twin development and simulation of the RS-25 engine's startup phase, utilizing Siemens Simcenter Amesim for a comprehensive system-level analysis. This thesis focuses on developing a comprehensive digital twin model of the RS-25 LRE, with the primary goal of simulating its transient startup behavior and system-level interactions. The methodology leverages Amesim's multi-domain modeling capabilities and specialized libraries to replicate fluid-thermal, mechanical, and control processes. Subsystems such as the low- and high-pressure turbopumps, pre-burners, and MCC are parameterized using performance maps, combustion efficiencies, and real-fluid property tables. Control elements, including proportional-integral (PI) controllers, regulate valve opening sequences and mixture ratio adjustments to simulate precise startup transitions. The digital twin captures dynamic interactions, including the ramp-up of turbomachinery, transient combustion effects, and feedback loops. Simulation results indicate that the engine reaches steady-state conditions within approximately five seconds, revealing key performance metrics, including thrust stabilization at 1.75 MN, specific impulse reaching 375 seconds, and MCC pressure stabilizing near 20 MPa, The overall mixture ratio O/F is (6.1). These results align closely with reference test data, demonstrating less than 5% error across major parameters. Notable transient behaviors, such as brief mixture ratio oscillations and temperature spikes during ignition, highlight the complexity of the startup phase and validate the model's ability to replicate real-world engine dynamics.Discrepancies between the simulation and reference data, such as slightly smoother valve transitions and minor overshoots in characteristic velocity, are attributed to simplified control logic and idealized submodels. These insights suggest areas for refinement, including enhanced combustion kinetics and closed-loop control strategies. This work demonstrates the value of digital twins in rocket engine design, offering a cost-effective alternative to extensive physical testing. By providing accurate predictions of startup behavior, the digital twin methodology has the potential to guide future design iterations, optimize engine performance, and streamline development cycles. This study contributes to the broader adoption of system-level simulation and digital twins in advanced aerospace propulsion systems, paving the way for next-generation rocket engines.
Benzer Tezler
- Malkara linyitinin ve yer altı gazlaştırma katı kalıntılarının polisiklik aromatik hidrokarbon (PAH) içeriğinin araştırılması
Investigations on PAHs in Malkara lignite and its ex-situ gasification char residues
YUNUS EMRE ÜTNÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ALPER AYDIN
- Seramik birleştirme teknolojisi ve yapısal seramiklerin lehimlenmesi
Ceramic foining technology and brazing of structural ceramics
OSMAN AKKOCA
- Konvansiyonel bir ağır ticari vasıtanın elektrifikasyonu ve performans değerlendirmesi
Electrification and performance evaluation of a conventional heavy commercial vehicle
KADİR RIDVAN DÜZELLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
- Advanced energy and exergy analysis on aircraft jet engines
Havacılık jet motorlarında ileri enerji ve ekserji analizi
SARA FAWAL
Doktora
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KODAL
- CO2 yakalayıcı sorbent olarak Li4SiO4 tozlarının yanma sentezi ile üretimi ve SPS ile sinterlenmesi
Production of Li4SiO4 as CO2 capture sorbent by combustion synthesis and its sintering with SPS
KAĞAN BENZEŞİK
Doktora
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL